(57)【要約】【課題】  フォトニック結晶等の３次元積層構造体を容易に作製することができる３次元積層構造体の作製方法を提供する。【解決手段】  ３次元積層構造体の作製は次のようにして行われる。まず、基板上に３次元積層構造体の断層パターン３４と位置合わせ用穴３５および突起部３６を有する薄板３７を複数形成する。次に、基板から薄板３７をそれぞれ分離し、分離した複数の薄板３７の位置合わせ用穴３５および突起部３６を互いに積層用治具３８の液体中で整合させ、これにより複数の薄板３７を積層する。この場合、液体中で超音波振動等により複数の薄板３７に振動を与えながら薄板３７を積層する。【選択図】      図３
2005055582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に３次元積層構造体の断層パターンと位置合わせ用凸部および凹部を複数形成し、前記基板から前記断層パターンと位置合わせ用凸部および凹部を有する薄板を分離し、前記分離した複数の薄板を前記位置合わせ用凸部および凹部を互いに整合させて積層することを特徴とする３次元積層構造体の作製方法。
【請求項２】
前記複数の薄板が、液体中で積層されることを特徴とする請求項１記載の３次元積層構造体の作製方法。
【請求項３】
前記複数の薄板が、液体中で振動を与えられながら積層されることを特徴とする請求項１記載の３次元積層構造体の作製方法。
【請求項４】
前記振動が超音波振動であることを特徴とする請求項３記載の３次元積層構造体の作製方法。
【請求項５】
前記液体が、エチルアルコールまたはイソプロピルアルコールであることを特徴とする請求項２または３記載の３次元積層構造体の作製方法。
【請求項６】
前記位置合わせ用凹部が、前記薄板を貫通する穴であることを特徴とする請求項１記載の３次元積層構造体の作製方法。
【請求項７】
前記位置合わせ用凸部が、フォトリソグラフィー工程により形成されることを特徴とする請求項１記載の３次元積層構造体の作製方法。
【請求項８】
前記位置合わせ用凸部が、収束イオンビームの堆積モードにより形成されることを特徴とする請求項１記載の３次元積層構造体の作製方法。
【請求項９】
前記位置合わせ用凸部が、レジストにより形成されることを特徴とする請求項１記載の３次元積層構造体の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフォトニック結晶等の３次元積層構造体の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信技術の普及は目覚しく、光インフラの構築コストは１２ヶ月で半額になるというギルダーの法則に従って推移すると言われている。それに伴ってＦＴＴＨ（ファイバーツーザホーム）によるブロードバンド化が急速に進展し、オフィスをはじめ家庭内にもすでにこの技術が浸透し始めている。しかし光ファイバーは直径1０ｃｍ程度の屈曲しか許容されず、急激に光の進行方向を変えることが出来ないという欠点がある。ファイバーに繋がる光部品も電気デバイスに比較すると極端に大きいのが現状であって、電子デバイスの配線技術はすでにサブμｍのオーダーであるのに対して、光配線技術は大容量の情報を瞬時に伝送できるにもかかわらず、電子デバイスの特徴である小型化の容易性に対して大幅に遅れていると言うことが出来る。これは光を微小な領域に閉じ込め、制御することが難しいことに由来している。
【０００３】
このような状況のもと、光を微小領域に閉じ込め制御するフォトニック結晶技術が提唱されている。この技術によると、光の波長程度の領域において急峻に光を曲げたり、フォトニック結晶内の欠陥を利用することで、光を波長程度の領域に閉じ込め制御することができるというものである。このようなフォトニック結晶を用いることにより、光信号の伝播速度を大幅に低下させ制御する技術が可能となる。
【０００４】
フォトニック結晶とは誘電率の異なる２種の媒質を光の波長程度のスケールにおいて周期的に並べた人工的な構造体である。光はその誘電率の周期構造を、固体中の電子がその固体を構成する原子から周期的なポテンシャルを感ずるのと同様に感じ、それにより光に対するバンド構造が出現する。固体中の電子はシュレーディンガーの方程式によって記述できるが、フォトニック結晶内の光はマックスウエルの方程式で記述される。取り扱いはよく似ており、フォトニック結晶中の光の電磁界は電子の場合と同様のBloch関数をもちいて表すことができる。またバンド計算により光が存在し得ないバンドギャップが出現することが知られている。
【０００５】
最も簡単なフォトニック結晶は１次元の誘電体多層膜である。誘電体多層膜ではある波長の光を完全に通過させないストップバンドを作ることが出来るが、これが光のバンドギャップに相当する。２次元のフォトニック結晶もフォトリソグラフィー工程等により比較的容易に作成可能である。しかし光を完全に２次元フォトニック結晶内に閉じ込め、制御することは困難である。一方、３次元のフォトニック結晶を用いると完全に光をその中に閉じ込めることが可能であると考えられている。
【０００６】
しかしフォトニック結晶に要求されるようなμｍオーダーの複雑な３次元構造を作ることは容易でない。これまでにいくつかの方法が提案されているが、まだ作成には困難を伴う。
【０００７】
これまで３次元構造の作製方法としては、たとえば、ＳｉＯ２を基板上に堆積し、フォトリソグラフィー工程を経て、堆積したＳｉＯ２を線状にエッチングし、出来たトレンチ構造にポリシリコンを着膜して一旦トレンチを埋めた後、ＣＭＰ（化学的機械研磨）により平坦化して、ポリシリコンの構造を作製し、この工程を繰り返し実施することで、３次元構造を作成する方法が知られている（非特許文献１）。
【非特許文献１】S. Y. Lin et al, Nature, Vol.394, p251, 1998
【０００８】
また別の方法としては、ＧａＡｓ基板にエッチストップ層ＡｌＧａＡｓをまず成長させ、その上にＧａＡｓ層を成長させ、その後電子線リソグラフィーと反応性イオンエッチングにより、成長させたＧａＡｓ層をストライプ形状に作製し、さらに同様にして作製した基板を対向して密着させ、水素雰囲気中にて熱融着させ、その後さらに片面の基板を研磨して除去し、その工程を繰り返し実施して、３次元のフォトニック結晶を作成する方法が知られている（非特許文献２）。
【非特許文献２】S. Noda et al, JJAP, Vol. 35 (1996)  p L909
【０００９】
さらに別の方法としては、ＭＯＣＶＤでＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰを着膜後、マスクとして利用する金属膜を着膜、電子ビーム露光により、パターンを描画、作製する。この際、結晶格子の正確な位置合わせのため約１μｍの穴をあけて、マイクロマニュピレーションによりプラスティック球をはめ込んで正確な３次元フォトニック結晶構造を作製する方法が知られている（非特許文献３）。
【非特許文献３】第48回応用物理学会予稿集2001年3月,29p-ZH-7,青木他
【００１０】
さらに別の方法としては、微小構造体を構成する複数の断層形状を形成した１枚の基板を用意し、その基板を別の基板に真空中にて圧着する。圧着の際、ＦＡＢ（Fast Atom Beam）を両方の基板に照射して表面を活性化し、常温での接合により圧着する。あらかじめ微小構造体を構成する複数の断層形状は密着性の低いポリイミド薄膜の上に形成されているため、常温接合による接合強度の方がポリイミドとの接着強度より高いため、ポリイミドから剥がれて転写され、この転写を繰り返し行うことにより、３次元立体構造を作製する方法も知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−３０５４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した方法は３次元の構造体、特にフォトニック結晶を作製する際に用いられる方法を示すものであるが、いずれもプロセスが複雑であり、作製が非常に困難であるという問題がある。
従って本発明の目的は、上述のような問題を解決し、フォトニック結晶等の３次元積層構造体を容易に作製することができる３次元積層構造体の作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、基板上に３次元積層構造体の断層パターンと位置合わせ用凸部および凹部を複数形成し、前記基板から前記断層パターンと位置合わせ用凸部および凹部を有する薄板を分離し、前記分離した複数の薄板を前記位置合わせ用凸部および凹部を互いに整合させて積層する３次元積層構造体の作製方法により、達成される。
【００１３】
ここで、前記複数の薄板は、液体中で積層されることが好ましく、積層工程中に振動を与えることがより好ましい。前記振動は例えば超音波振動とすることができる。また、前記液体は、エチルアルコールまたはイソプロピルアルコールを用いることができる。前記位置合わせ用凹部は、前記薄板を貫通する穴とすることができる。前記位置合わせ用凸部は、フォトリソグラフィー工程または収束イオンビームの堆積モードにより形成することができる。また、前記位置合わせ用凸部は、レジストにより形成することができる。
上述のとおり本発明はフォトニック結晶等の３次元積層構造体の作製技術に関するものであるが、この３次元積層構造体は例えば光通信用のデバイスとして利用可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、微小な３次元積層構造体を精度良く、かつ簡便なプロセスにより容易に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る３次元積層構造体の作製方法を具体的に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、３次元積層構造体の断層パターンと位置合わせ用凸部および凹部を有する薄板をそれぞれ示す平面図である。
【００１６】
［断層の形成］
はじめに石英ガラス基板や半導体基板上に、波長程度（またはそれ以下）の厚さのあとではがし取れる薄板を、堆積等により形成する。図１（ａ）、（ｂ）に示すような薄板１，２には、後に３次元構造体を構成する光回路の一部である断層パターン３，４をフォトリソグラフィーや他の微細加工技術により形成しておく。本例の断層パターン３，４は、図示のように互いに直交する格子模様からなる。この断層パターン３，４を有する複数の薄板１，２を積層し、これを繰り返し実施し、積層を完了したとき、所望の３次元の立体的光回路が形成される。この薄板は通常は透明な誘電体であるが、半導体であってもよいし、また金属であっても良い。
【００１７】
［穴と突起の形成］
この薄板１，２には３次元立体光回路の一部である断層パターン３，４が作製されているが、それ以外の周辺部分に位置合わせ用の凹部、例えば穴５，６を複数形成する。この穴５，６は光回路の一部を形成する時に同時に形成することが出来る。この穴５，６は薄板を貫通していてもよいし、またそうでなくともよい。また薄板１，２には、その上に積層される上部薄板の位置合わせ穴の部位に一致するように位置合わせ用突起７，８を設ける。この穴と突起の数は２個以上設けることが望ましい。
【００１８】
［穴と突起の整合による積層］
図２（ａ）、（ｂ）は、複数の薄板の積層の仕方を説明するための図である。まず、３次元立体構造を構成する断面形状を、エッチング等により切り離し、各断層薄板２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ・・・を順番に並べておく。次に、上下各々の断層薄板を、上断層薄板の穴２２と下断層薄板の突起２３が整合（嵌合）するよう積層することにより、３次元積層構造体が形成される。
積層を行う際、断層薄板２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ・・・に微小な振動を与えて、上断層薄板の穴２２と下断層薄板の突起２３が重力により、自然に整合することを利用する事が出来る。また液体の中でゆっくりと沈降させることで効率的に上断層薄板の穴と下断層薄板の突起を整合（嵌合）させることが出来る。この点については後で詳述する。
【００１９】
［３次元立体構造の精度］
３次元立体構造の精度は位置合わせ穴および突起の位置精度で決まる。従って位置合わせ穴および突起をフォトリソグラフィー工程やＦＩＢ（Focused Ion Beam）などの方法により形成すれば、サブμｍの精度で位置合わせが可能である。
【００２０】
実施例１
図３（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施例１を示すもので、ＳＯＩ基板を用いて３次元積層構造体を作製する方法を示す図である。
【００２１】
（１）ＳＯＩ基板の形成
ＳＯＩ基板は、図３（ａ）に示すように、シリコン基板３１の上にＳｉＯ２層３２を配置し、さらにその上部に薄いＳｉ単結晶３３を成長させた基板である。本実施例では酸化膜層であるＳｉＯ２層３２が３００ｎｍ、Ｓｉ単結晶層３３が２００ｎｍのものを使用した。本実施例では、１辺が１５０ミクロン角のシリコン（Ｓｉ）からなる３次元積層構造体を作製する。積層するＳｉの薄板の層数は６０層とした。
【００２２】
（２）光回路の断層構造の形成
図３（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板のＳｉ単結晶層３３に所望の３次元光回路の断層パターン３４（例えば図１に示すパターン）を形成する。本実施例ではパターンの形成にＦＩＢ（収束イオンビーム）を用いる。ＦＩＢはガリウム原子を収束してＳＯＩ基板の上部Ｓｉ単結晶層３３部分に照射することによりサブμｍの加工が可能である。ＦＩＢによって作製されたパターン３４は、上部Ｓｉ単結晶層３３から酸化膜ＳｉＯ２層３２に到達するまで深く掘られる。
【００２３】
（３）位置合わせ用穴の形成
次に、やはり図３（ｂ）に示すように、光回路の断層パターン３４とは別に下断面との位置合わせ用穴３５を４隅に形成する。この穴３５の径は０．６μｍとした。位置合わせ用穴３５は２個以上あれば良い。
【００２４】
（４）位置合わせ用突起部の形成
続いて、図３（ｃ）に示すように、位置合わせ用穴の位置とは異なる４隅にＦＩＢの堆積モードを用いて高さ１μｍ、直径０．４μｍの突起部３６を形成する。この突起部３６は例えばガス銃により原料ガスを吹き付け、収束イオンビームを照射することにより形成することができる。この突起は上断面の位置合わせ用穴の位置と一致するように形成する。突起部３６も２個以上あれば正確な位置合わせが可能である。この突起はＦＩＢの堆積モードで作成し、カーボンが堆積して、柱状形状を形成することができる。
この操作を所望の回数繰り返して、フォトニック結晶の各断面構造（断層パターン）および位置あわせ用穴および突起部を形成する。
【００２５】
（５）素子分離
その後、フッ化水素やＴＭＡＨ（Tetra methyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH）水溶液を用いてＳＯＩ基板の酸化膜層をエッチングして除去すると、図３（ｄ）に示すように、上記断層パターンと位置合わせ用穴および突起部を有する薄板３７が得られる。この断層パターンを有する薄板を集め、積層する順番に並べる。量産時にはウエハ１枚が特定のあるレイヤーに相当するようにし、各断層のパターンが１枚のウエハに対応するよう作製することができる。
【００２６】
（６）積層
次に、図３（ｅ）に示すように、内側寸法が２００μｍ角、深さ５００μｍの積層用治具３８を用意し、その中に断層パターンを有する薄板３７を方向に気をつけながら順番に落とし込む。図３（ｆ）は積層用治具３８の斜視図である。その後、積層用治具３８にエチルアルコールまたはＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を満たし、超音波等の微小振動を加えて各断層（薄板）の突起部３６が穴３５に落ち込むようにして徐々に組み合わせる。これにより３次元立体構造体が形成される。このとき、積層用治具３８の内側寸法は、作製する断層パターンを有する薄板３７の大きさ１５０ミクロンと比較してやや大きい程度なので、治具内で薄板３７が回転することはない。
【００２７】
実施例２
図４は、本発明の実施例２を示すもので、ＳＯＩ基板を用いて３次元積層構造体を作製する方法を示す図である。
【００２８】
（１）ＳＯＩ基板に光回路の断層構造を形成
実施例２では、量産時にウエハ１枚が特定のあるレイヤーに相当するようにし、各断層のパターンが１枚のウエハに対応するよう作製する。この場合も実施例１と同様に１辺が１５０ミクロン角のＳｉからなる３次元積層デバイスを作製する。積層するＳｉの層数は６０層である。まず、スピンコータを用いてＳＯＩ基板４１にレジストを塗布し、３次元立体構造体の断面微細パターン（断層パターン）を６０種類、一括露光、転写して、未露光部を除去した後、ＳｉのドライエッチングによりＳｉによる断層パターン４２を形成する。この際、後で使用するためのレジスト合わせマーク４３を、図４に示すとおりＳＯＩ基板４１の外周部に同時に形成しておく。
【００２９】
（２）位置合わせ用穴の形成
また同時に、実施例１と同様に、図示しない位置合わせ用穴を断層パターン４２の４隅に形成する。ここでは穴径は１．０ミクロンとした。ドライエッチングを使用しているため、１ミクロンの穴にはテーパーはほとんどつかない。
【００３０】
（３）位置合わせ用突起部の形成
ドライエッチングが終了したら、レジストを剥離した後、再度レジストを塗布、プリベークしたのち、上記レジスト合わせマークを用いて、突起形成用マスクの位置合わせを行い、図示しない直径０．５ミクロンのレジストによる突起部を断層パターン４２の４隅に形成して、ポストベークを行う．
【００３１】
（４）素子分離
次に、ＳｉＯ２のエッチャントを用いて、酸化膜層の犠牲層エッチングを行い、素子を分離する。
【００３２】
（５）積層
各断層パターン４２と位置合わせ用穴および突起部を有する薄板を、上記実施例１の場合と同様に、内側寸法が２００μｍ角、深さ５００μｍの積層用治具に断層パターンを有する薄板の方向に気をつけながら順番に落とし込む。その後、前記積層用治具にエチルアルコールまたはＩＰＡを満たし、超音波等の微小振動を加えて各断層のレジストで作成した突起が穴に落ち込むように時間をかけて組み合わせる。これにより３次元積層構造体が形成される。このとき、積層用治具は断層パターンを有する薄板の大きさ１５０ミクロンと比較してやや大きい程度なので、治具内で薄板が回転することはないことは上記のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】（ａ）、（ｂ）は３次元積層構造体の断層パターンと位置合わせ用凸部および凹部を有する薄板をそれぞれ示す平面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は複数の薄板の積層の仕方を説明するための図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は本発明の実施例１を示すもので、ＳＯＩ基板を用いて３次元積層構造体を作製する方法を示す図である。
【図４】本発明の実施例２を示すもので、ＳＯＩ基板を用いて３次元積層構造体を作製する方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
３１  Ｓｉ基板
３２  ＳｉＯ２層
３３  Ｓｉ単結晶層
３４  断層パターン
３５  穴
３６  突起部
３７  薄板
３８  積層用治具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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